海洋立管涡激振动频域和时域预报方法研究

摘要

随着海洋石油开采不断向深海发展,立管的安全性对于石油工业的发展以及海洋环境的维护至关重要。洋流中立管两侧交替泄涡引起的涡激振动现象是立管疲劳损伤的主要因素,严重威胁着立管的安全。因此,准确的估算立管在实际海洋环境中的涡激载荷及动力响应,不断优化立管的结构设计一直是海洋工程领域中的重要课题。
　　本文首先开展了系列海洋立管模型实验,通过高雷诺数下刚性圆柱体强迫振荡实验研究,为频域和时域预报模型提供高雷诺数升力系数数据库,提高实尺度立管涡激振动响应预报精度;同时,通过柔性立管在均匀流和剪切流下自激振荡实验,研究立管主导模态的时域特性;然后利用频域方法对立管模型涡激振动响应进行预报、并与实验结果进行对比,探究频域方法的适用性和局限性;最后本文提出了一种半经验性的时域预报方法,期望解决立管遇到的变轴向力、立管-土壤耦合等非线性问题,并将时域预报结果与实验结果进行了对比。论文内容主要包括以下几个方面:
　　1.对均匀来流下刚性圆柱体做不同幅值和频率强迫振荡时的水动力特性进行了实验研究,得到了升力系数、阻力系数和相位角等与无因次振荡频率、振幅之间的关系曲线,从而为频域和时域预报模型提供高雷诺数升力系数数据库,提高实尺度立管涡激振动响应预报精度;并通过对比本试验数据与低雷诺数试验数据得到了在亚临界区域雷诺数对涡激振动特性的影响。研究发现,在亚临界区域,雷诺数对涡激振动特性的影响很小,因此用低雷诺数试验数据来预报实际海洋环境下的立管涡激振动是合理的,但只限于实际海洋环境的雷诺数处于亚临界区域的情况。
　　2.通过拖曳试验和旋转实验模拟了立管模型在均匀流和剪切流下的涡激振动响应情况,分别利用模态叠加法和小波方法对两种流场下立管在横向和流向上的幅值响应特性和主导频率的时域响应特性进行了分析;此外,本文还利用逆有限元方法将柔性立管位移响应作为输入条件计算出了附加质量系数在立管上的分布情况,期望能够对频域和时域经验模型中附加质量系数的选择提供科学依据。研究发现了一些有趣的现象,对于均匀流工况,虽然流向上的主导模态对应的固有频率并不是横向上2倍,但是两个方向上的锁定频率却总是呈2倍关系,原因可能在于流向和横向上的附加质量系数能够自己调整、直至两个方向上的主导模态对应的固有频率正好为2倍关系;此外,无论在均匀流还是在剪切流工况下,均发现了主导模态的“间歇”特性,在剪切流中该性质则更加明显,对于这种工况,频域方法已经基本不再适用。
　　3.对频域理论预报过程进行了详细的阐述,并利用频域方法对均匀流和剪切流工况下的柔性立管涡激振动进行了预报。与试验结果进行对比发现,对于剪切流下单模态涡激振动,频域方法十分适用,预报准确度很高;但是对于均匀流工况和剪切流下多频耦合工况,频域理论预报结果比较差。此外,本文还通过频域数值计算方法研究发现,轴向预张力对立管涡激振动的模态和幅值都会产生较大的影响,从而可以推断出涡激振动导致的轴向力变化会进行反馈、对涡激振动响应又产生影响,而且影响极有可能不可忽略;因此,对于剪切流单模态涡激振动宜采用频域方法,对于均匀流、剪切流多模态以及考虑变轴向力等非线性因素时,则需要研究新的时域预报方法。
　　4.通过研究发现,频域预报方法对于多频耦合响应因素的简化处理以及对于变轴向力因素的忽略,会导致较大的预报误差;因此本文提出半经验性的时域预报方法对立管在均匀流、剪切流和阶梯流下的涡激振动响应进行了预报,并与实验结果和频域预报结果进行了对比,发现与实验结果吻合很好,从而证明了该时域预报方法的可行性和可靠性。理论上,这种时域预报研究方法基本上适用于解决海管中遇到的绝大多数非线性问题。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2立管涡激振动试验研究现状

1.3立管涡激振动数值方法研究现状

1.4本文的创新点及主要工作

第2章 刚性圆柱体强迫振荡试验研究

2.1 前言

2.2试验目的

2.3试验装置

2.4试验内容

2.5试验数据处理

2.6试验结果与讨论

2.7本章小结

第3章 柔性立管涡激振动试验研究

3.1 前言

3.2试验目的

3.3试验装置

3.1试验内容

3.2试验数据分析：立管幅值响应分析

3.3试验数据分析：立管频率响应分析

3.4试验数据分析：附加质量系数分布研究

3.5本章小结

第4章 柔性立管涡激振动预报频域方法研究

4.1 前言

4.2频域方法基本理论

4.3数值计算工况

4.4数值计算结果

4.5本章小结

第5章 柔性立管涡激振动预报时域方法研究

5.1 前言

5.2时域预报方法

5.3时域预报方法计算结果分析

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2未来展望

参 考 文 献

致谢

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在学期间科研成果、获奖及专利情况